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勇为人先 行稳致远——记新华联科技奖突出贡献奖获得者刘晓春研究员

2012-12-26

作为中国地质科学院地质力学研究所科技骨干和南极学科带头人,刘晓春研究员长期从事区域变质作用及碰撞造山过程的岩石学记录研究。主要研究区域是国际瞩目的以高压/超高压变质作用为特征的桐柏山-大别山造山带和以高温/超高温变质作用为特征的东南极普里兹造山带,研究成果丰硕。特别是近十年来在南极考察和研究方面的贡献突出,受到中国地质调查部门嘉奖,并连续获得国家国土资源系统“十五”和“十一五”科技工作先进个人。

刘晓春热爱地质事业,有强烈的事业心和奉献精神。二十多年来致力于桐柏山-大别山高压/超高压变质作用与碰撞造山过程的研究,足迹踏遍鄂豫皖边境三十余县市的山山水水,在有关高压/超高压变质带的延伸、超高压岩石的形成和保存机制、高压/超高压岩石的俯冲和折返过程等方面取得了重要成果,为这一国际高度关注地区研究程度的提高和高压/超高压变质地质学领域的发展做出了贡献。

1998年开始,刘晓春将研究领域扩展到东南极高级变质地区。在19982008年间先后三次赴南极考察,在后勤保障不足和自然环境恶劣条件下,通过艰苦的努力圆满完成任务。主要考察业绩包括:作为4名队员之一首次赴南极内陆地质研究的空白区——格罗夫山进行地质考察;策划并两次带队现场实施了远离中山站基地的埃默里冰架地质考察;为我国回收第一块南极陨石;作为项目负责人首次在南极编制中比例尺地质图。现已成为我国地质学家中在东南极考察地域较广、掌握样品较齐全的工作者,并在有关东南极中压/高压麻粒岩的演化、紫苏花岗岩的成因、多期构造热事件的识别、冈瓦纳超大陆的形成等方面取得了重要成果,在国际上产生了一定的影响,也体现了我国科学家对南极地学研究的重要贡献。

 

一、南极地质研究

1.编制我国第一幅南极中比例尺地质图基本上建立了普里兹造山带的地质构造格架

通过深入细致的全区性野外地质调查、典型基岩露头的大比例尺填图以及地质剖面实测,刘晓春与团队成员编制出普里兹造山带150万地质图。将普里兹造山带及相邻区域划分为四个构造单元,即西福尔丘陵晚太古—古元古代克拉通陆块、赖于尔太古宙—中元古代拼合地体、埃默里—普里兹湾中新元古代地体和格罗夫山新元古代地体。对区域构造变形研究揭示普里兹造山带经历了34期变形,伴有2次构造抬升,与地壳加厚和伸展垮塌的构造过程相一致。总体而言,普里兹造山带150万地质图的编制以及地质构造格架的初步建立为在本地区进一步开展深入研究工作奠定了良好基础。

2.建立了埃默里冰架东缘的岩浆变质演化序列,明确其多相变质叠加的特征

对埃默里冰架东缘出露的岩石进行了系统的同位素定年,揭示该区经历了中元古代(13801020 Ma)大规模岩浆作用,格林维尔期两幕(>970 Ma930900 Ma)高级变质作用和紫苏花岗岩侵入,以及泛非期麻粒岩相变质叠加和紫苏花岗岩–花岗岩侵入。基于石榴二辉麻粒岩新露头的发现和出溶辉石的复原计算,获得泛非期麻粒岩形成的峰期变质条件达9.09.5 kb880950℃,并且经历了顺时针的减压退变演化过程。这项研究说明泛非期变质作用并非只发生在中低压麻粒岩相条件下,而上述顺时针P-T轨迹也非两期变质的产物。所以,研究成果修正了前人关于本区变质作用演化的认识

3证明格罗夫山是普里兹造山带中最典型的泛非期变质地体紫苏花岗岩的成因提出新解

对格罗夫山地区出露的不同岩石进行了精确测年,获得正片麻岩和麻粒岩的原岩侵位年龄集中在922907 Ma,变质年龄为549536 Ma,而花岗岩岩石的侵位年龄介于547503 Ma之间,据此提出格罗夫山是普里兹造山带中最典型的泛非期单相变质地体。通过元素和同位素地球化学研究,认为紫苏花岗岩及其伴生的A型花岗岩是在同-后造山阶段由源于长期富集地幔的碱性玄武质岩石经部分溶融形成,不同于中基性麻粒岩下地壳在高温条件下经脱水熔融形成紫苏花岗岩的经典成因模式。这些高温岩浆的发育表明,普里兹造山带在同-后造山阶段可能发生了岩石圈拆沉和软流圈上涌,与碰撞造山的构造环境相吻合。

4.在普里兹造山带中首次发现高压变质岩石,刻画了泛非期造山作用的精细过程

在格罗夫山冰碛岩中发现了高压麻粒岩漂砾。根据相平衡计算获得峰期变质条件为11.814.0kb770840℃,随后经历了约6kb的近等温减压过程,由此推导出一个顺时针P-T演化轨迹。锆石U-Pb定年及其内矿物包裹体的鉴定揭示了泛非期造山作用的精细过程:570 Ma造山作用启动;545 Ma岩石被埋藏到最大深度并发生高压变质作用;530 Ma岩石被抬升到中地壳深度并经历了中低压变质作用和部分熔融;510490 Ma 造山带垮塌并有大规模岩浆侵入。所以,格罗夫山地区高压麻粒岩的发现为普里兹造山带的碰撞构造环境提供了岩石学证据,从而证明东冈瓦纳直至泛非期才完成了最后的拼合。

二、桐柏山大别山地质研究

1.提出并被证实高压/超高压变质带向东延伸到朝鲜半岛的问题,为巨型高压带的确立做出贡献

刘晓春较早涉足桐柏山大别山造山带高压/超高压变质作用的研究。认为华中高压/超高压变质带由两条紧密共生而类型不同的高压带组成,一条是东南侧以蓝片岩为代表的低温高压变质带,另一条是西北侧以榴辉岩为代表的高温(超)高压变质带,二者时代相近、断层接触并存在变质间断。根据地理、构造和岩石学对比研究提出两条带应延伸到朝鲜半岛中部,分别对应于沃川变质带和京畿地块。该论断因其后在京畿地块中发现三叠纪榴辉岩而得到证实,最新的连接关系与其研究成果出入不大,在一定程度上对朝鲜半岛基础地质的研究起到了促进作用。

2.在大别山超高压变质地体中识别出亚稳定岩石,为其快速俯冲和折返机制提供了岩石学制约

在大别山超高压变质地体中发现多种轻微变质的岩石残块,包括花岗岩、火山角砾岩和沉积岩。这些岩石较好地保存了原始岩浆或沉积结构,但基本上未发现超高压变质的痕迹。由于这些岩石与周围超高压变质岩的原岩形成时代相同,所以推测二者一起经历了超高压变质作用,但由于变形作用和流体的缺乏而保持亚稳状态,未记录超高压变质反应。据此认为,超高压地体中之所以保存未记录超高压变质反应的岩石,除流体和形变缺乏的内部条件外,超高压岩片的快速俯冲、短暂停留以及快速折返也是必要的外部条件。亚稳定观点的提出可能有助于人们对超高压变质作用性质和过程的理解。

3.建立了大别山碰撞造山带阿尔卑斯式的构造模型和多板片穿时俯冲–折返的动力学模型

历时5个月在西大别实测一条比例尺为11万,长达130 km的横穿造山带地质剖面,这也是我国首次实施穿越整个造山带的剖面实测。沿剖面详细研究了高压超高压变质带在空间和时间上的演化规律,并以此为基础为大别山造山带建立了一个类似于阿尔卑斯式的构造模型根据同位素定年和热压结构分析,提出大别山造山带内不同构造岩片的抬升是穿时的,从上盘中低级变质增生岩片的240 Ma到下盘超高压变质岩片的210 Ma,共持续30 Ma,据此提出一个多板片连续俯冲–折返动力学模型,强调了下盘俯冲对上盘抬升的促进作用,而深部超高压岩片的整体抬升则归因于后续扬子大陆下地壳的俯冲作用。

4.重塑了华北扬子板块之间从大洋俯冲/增生到大陆俯冲/碰撞的构造演化过程,提出扬子陆壳俯冲向西变浅的模式

针对桐柏造山带开展了详细的地质调查和多学科综合研究。将其划分为北部古生代增生造山系统和南部晚古生代末—中生代碰撞造山系统,明确提出两套造山系统的边界即为华北与扬子板块碰撞的主缝合线。重新厘定了古生代各岩石构造单元的性质,认为华北—扬子板块之间经历了从早古生代大洋俯冲/弧陆碰撞、晚古生代大洋俯冲/增生到晚古生代末—早中生代大陆俯冲/陆陆碰撞的构造演化过程。确定洋壳与陆壳俯冲转换的时间约为255 Ma,基于桐柏山与大别山地区的地质对比提出了扬子陆壳俯冲向西变浅的模式。这项研究把大陆碰撞前后的构造过程紧密地结合起来,对追溯华北—扬子板块之间的复合造山历史具有借鉴意义。

 

专家档案:

刘晓春,1984年毕业于长春地质学院地质系,1992年获博士学位,1993.51995.4在中国科学院地球化学研究所做博士后,19955月起在中国地质科学院地质力学研究所任研究员。现兼任极地地质研究室主任,地质力学研究所科学技术委员会委员,中国矿物岩石地球化学学会变质岩专业委员会委员兼秘书,《地质力学学报》《极地研究》和Advances in Polar Science杂志编委。2003.112004.8在台湾大学地质科学系做访问学者(客座副研究员),2006.22006.5在香港大学地球科学系做访问学者,2009.122010.11在中央研究院(台湾)地球科学研究所做访问学者(客座研究员)。

先后负责15项国家和省部级科研项目,其中国家自然科学基金6项,国土资源大调查4项,国家973计划课题1项,国家南极专项专题1项,其他部属项目3项。在中外学术刊物或论文集上发表论文150余篇,其中SCI论文50余篇,合著专著4部,主笔科研报告4部。论文被SCI引用超过500次。